1-3型复合型硅背衬层及制备方法及高频超声换能器技术

本发明专利技术提供一种1

【技术实现步骤摘要】
1
‑
3型复合型硅背衬层及制备方法及高频超声换能器


[0001]本专利技术属于无损检测
，具体属于1
‑
3型复合型硅背衬层及制备方法及高频超声换能器。

技术介绍

[0002]超声成像作为一种无损、高分辨率的成像技术而得到了广泛应用，在诸多应用中，良好阻抗匹配可以使得高频宽带高频超声换能器具有高的能量传输效率进而在轴向和横向方向上提供高分辨率的图像。传统的高频超声换能器结构由压电元件、匹配层、背衬层组成。基于压电效应，压电元件在其中实现能量转换的作用，匹配层和背衬层通过声阻抗匹配来提高能量传输效率。由于压电元件所产生的声波是双向辐射传播，目前已有的研究更多侧重在前端声阻抗匹配研究，而对后端的声阻抗匹配的优化研究仍是不可或缺的一部分。传统的陶瓷、单晶压电材料声阻抗均大于30MRayls，而后端负载的声阻抗为2.69MRayls。为了达到更高的能量传输效率，这要求器件具有较好的声学、电学匹配。然而自然界及工业界的已有材料都具有其固有声阻抗，往往难以获得具有最佳声阻抗的单相材料。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种1
‑
3型复合型硅背衬层及制备方法及高频超声换能器，在传统单层吸声背衬层的基础上，引入1
‑
3复合结构，通过调节硅/环氧树脂中硅组分的体积比，实现改变背衬层的声阻抗的目的。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术提供一种1
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3型复合型硅背衬层，由一维连通的硅基相平行排列于三维连通的环氧相形成，其中硅基相为高纯度硅片，环氧相为环氧树脂，硅基相与环氧相的体积比确定1
‑
3型复合型硅背衬层的声阻抗。
[0005]进一步的，采用切割填充法沿高纯度硅片的高度方向，在x轴和y轴方向上将高纯度硅片基底切割成均匀排列的硅立柱，硅立柱之间填充环氧树脂，固化得到环氧相，打磨切割得到一种1
‑
3型复合型硅背衬层。
[0006]进一步的，硅基相与环氧相的体积比为0.3
‑
0.7。
[0007]进一步的，所述1
‑
3型复合型硅背衬层的厚度根据声学传输理论确定，即复合型硅背衬层的厚度约等于声波在复合型硅背衬中的传输波长的四分之一。
[0008]本专利技术还提供1
‑
3型复合型硅背衬层的制备方法，具体步骤如下：
[0009]S1确定高频超声换能器中压电材料和后端负载的声阻抗，根据Desilets理论确定所述1
‑
3型复合型硅背衬层的声阻抗；
[0010]S2基于ISO
‑
STRAIN理论，根据S1得到的声阻抗确定所述1
‑
3型复合型硅背衬层中硅立柱13与环氧相14的体积比；
[0011]S3基于ISO
‑
STRAIN理论，根据S2得到的体积比得到复合型硅背衬层的等效声速，根据等效声速和声学传输理论得到复合型硅背衬层的厚度；
[0012]S4根据复合型硅背衬层的厚度、硅立柱13与环氧相14的体积比，采用切割填充法
制备1
‑
3型复合型硅背衬层。
[0013]进一步的，S1中，根据Desilets理论确定所述1
‑
3型复合型硅背衬层的声阻抗，具体为：
[0014][0015]式中，Z
l
为后端负载声阻抗，Z
p
为压电材料声阻抗，Z
b
为复合型硅背衬层声阻抗。
[0016]进一步的，S2中，基于ISO
‑
STRAIN理论复合型硅背衬层的声阻抗与体积比之间关系为：
[0017][0018]其中：c
ij
和c
ij
’
(i,j＝1,2)是构成复合材料的两个组成材料的弹性系数，ρ和ρ
’
表示材料密度，n是硅的体积分数，1
‑
n是Epoxy的体积分数。
[0019]进一步的，S3中，基于ISO
‑
STRAIN理论，根据S2得到的体积比得到复合型硅背衬层的等效声速ν，具体为：
[0020][0021]其中：c
ij
和c
ij
’
(i,j＝1,2)是构成复合材料的两个组成材料的弹性系数，ρ和ρ
’
表示材料密度，n是硅的体积分数，1
‑
n是Epoxy的体积分数。
[0022]进一步的，S4中，根据高精度切割机刀片的宽度确定环氧相的宽度，环氧相的宽度结合硅立柱与环氧相的体积比，确定硅立柱的宽度。
[0023]本专利技术提供一种高频超声换能器，包括上述1
‑
3型复合型硅背衬层，所述复合型硅背衬层位于压电元件后方。
[0024]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0025]本专利技术提供一种1
‑
3型复合型硅背衬层，采用高纯度硅片代替压电材料作为基底，可以降低等效声阻抗，并且1
‑
3型复合型硅背衬层中硅基相与环氧相的体积比决定了该背衬层的声阻抗，从而可以通过调节体积比来设计该背衬层的声阻抗，实现与后端负载更好的声电匹配，优化高频超声换能器的能量传输效率；
[0026]本专利技术基于ISO
‑
STRAIN理论与Desilets理论设计得到具有良好声阻抗匹配的1
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3型复合型硅背衬层，避免了声波在层间界面处大量散射而造成的能量损耗等问题，为背衬材料的选取、背衬层声阻抗匹配设计了拓宽思路。
[0027]将本专利技术的1
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3型复合型硅背衬层用在高频超声换能器中，通过调节1
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3型复合型硅背衬层硅基相与环氧相的体积比实现背衬层与高频超声换能器后端传播声波的声阻抗匹配设计，进而提高高频超声换能器的机电耦合因子，为高分辨超声成像奠定了基础，通过Comsol有限元仿真软件设计高性能高频超声换能器，并进行相关的电
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声测试，从而达到改善高频超声换能器的能量传输效率的优化目标。
附图说明
[0028]图1本专利技术设计的高频超声换能器的结构示意图；
[0029]图2本专利技术实施例提供的高频超声换能器的声波传输示意图；
[0030]图3背衬层声阻抗随硅基相体积比的变化规律；
[0031]图4本专利技术实施例提供的1
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3型硅/环氧树脂背衬层的制作方法流程图；
[0032]图5 1
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3型硅/环氧树脂背衬层的金相显微图像；
[0033]图6本专利技术实施例提供的高频超声换能器的阻抗与相位频谱的仿真(a)与测试(b)结果。
[0034]附图中：11金属外壳，12复合型硅背衬层，13硅立柱，14环氧相，15压电元件，16SMA连接器，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种1
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3型复合型硅背衬层，其特征在于，由一维连通的硅基相平行排列于三维连通的环氧相形成，其中硅基相为高纯度硅片，环氧相为环氧树脂，硅基相与环氧相的体积比确定1
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3型复合型硅背衬层的声阻抗。2.根据权利要求1所述的一种1
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3型复合型硅背衬层，其特征在于，采用切割填充法沿高纯度硅片的高度方向，在x轴和y轴方向上将高纯度硅片基底切割成均匀排列的硅立柱，硅立柱之间填充环氧树脂，固化得到环氧相，打磨切割得到一种1
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3型复合型硅背衬层。3.根据权利要求1所述的一种1
‑
3型复合型硅背衬层，其特征在于，硅基相与环氧相的体积比为0.3
‑
0.7。4.根据权利要求1所述的一种1
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3型复合型硅背衬层，其特征在于，所述1
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3型复合型硅背衬层的厚度根据声学传输理论确定，即复合型硅背衬层的厚度约等于声波在复合型硅背衬中的传输波长的四分之一。5.权利要求1
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4中任一项所述的1
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3型复合型硅背衬层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：S1确定高频超声换能器中压电材料和后端负载的声阻抗，根据Desilets理论确定所述1
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3型复合型硅背衬层的声阻抗；S2基于ISO
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STRAIN理论，根据S1得到的声阻抗确定所述1
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3型复合型硅背衬层中硅立柱13与环氧相14的体积比；S3基于ISO
‑
STRAIN理论，根据S2得到的体积比得到复合型硅背衬层的等效声速，根据等效声速和声学传输理论得到复合型硅背衬层的厚度；S4根据复合型硅背衬层的厚度、硅立柱13与环氧相14的体积比，采用切割填充法制备1
‑
3型复合型硅背衬层。6.根据权利要求5所述的1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李照希，侯琛雪，娄利飞，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：